ett fält av materialvetenskap som kallas metamaterial har nyligen fångat fantasin hos ingenjörer som hoppas kunna skapa nanoskala optiska enheter. Jonathan Fan, En biträdande professor i elektroteknik och chef för ExFab vid Stanford Nanofabrication Facility, leder vägen. Han vann nyligen det prestigefyllda 2016 Packard Fellowship in Science and Engineering, som finansierar de mest lovande professorerna i tidig karriär inom områden som sträcker sig från fysik och kemi till teknik. Fan är bara den fjärde Stanford elingenjören för att vinna stipendiet sedan 1988, och det ekonomiska stödet som följer med det kommer att göra det möjligt för honom att fortsätta arbete som är så innovativt att det annars kan vara svårt att finansiera med traditionella medel. Vi pratade med Fan om hans visioner inom metamaterialteknik och om hans tvärvetenskapliga samarbeten med andra Stanford-professorer Allison Okamura och Sean Follmer i projekt som att integrera nya typer av elektromagnetiska system med robotar.

vad är metamaterial?

på sin mest grundläggande nivå tar vi tanken på en antenn ner till nanoskalan. Tillbaka på dagen före kabel och satellit hade tv-apparater metallantenner. Om din bild inte var så bra skulle du gå upp och fysiskt omkonfigurera antenngeometrin för att ändra dess prestanda. Dessa antenner var utformade för radiovågor som var centimeter till meter långa. Vi arbetar för att skapa nanoskala antenner som skulle kunna svara på synligt ljus med våglängder på 400 till 700 nanometer, eller infrarött ljus, där våglängder är i storleksordningen en mikron. Genom att konfigurera geometrin hos dessa antenner individuellt och i samlingar kan vi konstruera system som kan interagera med och manipulera ljus på helt nya sätt.

dessa små antenner är många storleksordningar mindre än en TV-antenn. Lyckligtvis har utvecklingen av den moderna elektroniska integrerade kretsplattformen under det senaste halvseklet producerat mogna tekniska processer som kan hjälpa oss att definiera nanoskala funktioner. Vi använder samma mönsterteknik för att göra dessa nanoskalaantenner. Det är den mycket grundläggande översikten.

vad är härledningen av termen ”meta” i namnet metamaterial?

När du tänker på en konventionell lins tänker du på glas – materialet, eller hur? Glaset i din kamera eller dina glasögon böjer ljuset på mycket förutsägbara sätt baserat på glasets inneboende materialrespons. En lins gjord av ett metamaterial kommer att reagera på ljus på sätt som inte längre enbart baseras på materialets egenskaper, utan till stor del på designen och layouten hos dessa optiska antenner. Så begreppet ”meta” kommer från vår förmåga att konstruera konstgjorda material, bestående av en komposit av nanoskala strukturer, som kan reagera på ljus på helt nya sätt. Det är snyggt att se ett exempel när det gäller en metall som guld. Vi brukar tänka på guld som ett bulkmaterial som är reflekterande, gulaktigt och glänsande. Även när du går ner till nanoskalan är guld fortfarande guld. Men genom att specificera geometrin hos nanoskala guld kan vi ändra guldets färg från gul till grön eller röd, och det kan stödja många andra typer av optiska egenskaper som vi inte associerar med bulkguld. Det är egenskaper ingenjörer kan använda för att göra nya enheter.

vad tillåter metamaterial oss att göra det vi inte kunde tidigare?

metamaterial är lovande för ett par skäl. För det första möjliggör de extrem miniatyrisering av befintliga optiska enheter. Vi kan till exempel ta en glasögonlins och vi kan göra den 100 gånger tunnare än en hårsträng. Detta gör att vi kan översätta traditionellt skrymmande optiska system till extremt små formfaktorer. För det andra kan de anpassas för att stödja nya egenskaper som för närvarande inte är tillgängliga med befintlig optisk hårdvara, vilket leder till helt nya optiska system.

vad är ett exempel på en potentiell metamaterialanordning?

en stor möjlighet idag uppstår från det faktum att högupplösta kameror har miniatyriserats till storlekar som kan passa på mobiltelefoner, vilket gör dem tillgängliga för publiken en miljon gånger större än tidigare. En del av min större forskningsfråga är: finns det något mer vi kan göra med bildsystem med formfaktorer för en mobiltelefonkamera? Det finns så mycket information i det inkommande ljusfältet som för närvarande inte fångas av en mobiltelefonkamera, men som kan fångas med bildsystem som inkluderar metamaterial. Tillgång till denna ytterligare information kan ändra hur vi använder bilderna vi tar. Om du till exempel har ett hudtillstånd kan mycket mer optisk information om huden extraheras från en enkel mobiltelefonbild och användas för att bättre bedöma ditt tillstånd.

vad exciterar dig om metamaterial?

metamaterial leder oss till en helt annan uppsättning frågor – metaquestions, om du vill. Till exempel, är dessa nanoantennas även det bästa sättet att gå om att göra vad vi vill göra? Vid denna tidpunkt är inte ens det klart. Dessutom kommer du till de stora frågorna om applikationer för dessa material och enheter. Det är bara vidöppen. Det är därför det här är spännande för mig.

några tidiga intryck att dela som ny fakultetsmedlem?

Stanford är en riktigt speciell plats. Människorna är top-notch och miljön är mycket samarbete, inte siloed. Som ett exempel har jag nyligen expanderat till robotik, där jag har letat efter att tillämpa koncept i radiofrekvensvågor för att skapa smartare mjuka robotsystem. I detta arbete har jag inlett ett samarbete med Allison Okamura och Sean Follmer, som är mekaniska ingenjörer. Det har varit fantastiskt hittills, och jag har lärt mig så mycket. Människor här är mycket öppensinnade och inspireras att göra spännande tvärvetenskaplig forskning för att identifiera och lösa stora problem. Jag är glad att vara en del av det.